專利名稱：從井眼產(chǎn)生平行聲能波束的設備和方法
技術領域：
一般來說，本發(fā)明涉及井眼周圍巖層的聲波探詢，更確切地說，涉及使用包括連接到非線性材料的井眼中單個換能器或換能器陣列的聲源的組合以產(chǎn)生聲束，作為來自井眼的探測工具，來探詢井眼周圍的巖層和物質的性質。
背景技術：
地下特征的聲波探詢趨于受限于實際聲源的尺寸和功率，實踐中，井下聲波換能器的輸出受限于測井電纜的功率傳輸能力。高頻信號具有相對短的穿透距離，而低頻信號一般需要大聲源，卡在井壁上，為使傳遞到地層的能量最大以及使井眼內的無用信號最小。利用常規(guī)的低頻換能器，難以從井眼產(chǎn)生IOkHz-IOOkHz范圍內平行聲束信號以探測井眼周圍的巖層或者環(huán)境中任何其他物質，比如套管或水泥。在這個頻率范圍內的常規(guī)低頻聲源的帶寬低，小于中心頻率的30%，取決于頻率的波束擴展非常大，所以隨著頻率降低，波束擴展增大。平行波束的生成要求滿足許多條件，包括長聲源陣列、全部換能器一致地耦合到井眼周圍的巖層以及知曉巖層聲波速度。在井眼環(huán)境中，因為基本物理約束、工程可行性或操作條件，這些條件往往不能實現(xiàn)。從1950年代起，對于流體介質中一般的應用，比如水下聲納，已經(jīng)提出了基于聲波非線性混合的聲束源。對于地下應用，授予Cowles的3，974，476號美國專利公開了用于井眼觀測的聲源。Cowles的公開介紹了聲源發(fā)生設備，例如在井眼環(huán)境中通過混合兩個5MHz左右頻率能夠產(chǎn)生IkHz頻率波束的設備違反了基本物理原理。典型的測井工具的直徑為3又5/8英寸(9. 2cm),而在1500m/s的典型流體中IkHz波的波長為I. 5m。這表示接近井眼直徑的10倍。這種IkHz聲波無法保持平行而不違反基本的波衍射物理的不確定原理。不僅如此，混合5MHz頻率以產(chǎn)生IkHz波表示5000:1的頻率下降比例，這在實踐中尚未證明可實現(xiàn)。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的某些方面，公開了在井眼中產(chǎn)生聲能波束的方法。所述方法包括產(chǎn)生具有第一中心頻率和第一帶寬擴展的第一寬帶頻率范圍的第一寬帶聲脈沖；產(chǎn)生具有第二中心頻率和第二帶寬擴展的不同于所述第一頻率范圍的第二寬帶頻率范圍的第二寬帶聲脈沖，其中，所述第一聲脈沖和所述第二聲脈沖由被布置在位于所述井眼內的工具上的至少一個換能器產(chǎn)生；以及把所述第一寬帶聲脈沖和所述第二寬帶聲脈沖傳送到聲學非線性介質中，其中所述非線性介質的成分通過非線性混合所述第一聲脈沖和所述第二聲脈沖而產(chǎn)生平行脈沖，所述平行脈沖具有等于所述第一中心頻率與所述第二中心頻率之間的頻率的差的中心頻率以及等于所述第一帶寬擴展與所述第二帶寬擴展之和的帶寬擴展。根據(jù)所述方法，所述平行聲脈沖的頻率范圍具有15kHz與120kHz之間的中心頻率。此外，所述非線性介質能夠包括各種液體的混合物、固體、顆粒狀物質、嵌入的微球體和/或乳狀液及上述的組合。進一步地，所述平行脈沖的帶寬擴展在所述第一中心頻率或所述第二中心頻率的50%與200%之間。所述方法能夠進一步包括把所述平行脈沖傳送到所述井眼周圍的物質中，其中所述物質能夠是巖層、水泥或套管或者上述的組合。進一步地，所述非線性介質能夠具有100m/S與800m/s之間的聲速。該方法能夠進一步包括由聲反射鏡反射和引導所述平行聲脈沖。 根據(jù)本公開的某些方面，公開了一種井眼內可定位的測井電纜或管道運送的測井工具。所述測井工具包括外殼；至少一個換能器，由所述外殼承載并且被配置為產(chǎn)生具有第一中心頻率和第一帶寬擴展的第一頻率范圍的第一聲脈沖以及具有第二中心頻率和第二帶寬擴展的不同于所述第一頻率范圍的第二頻率范圍的第二聲脈沖；以及由所述外殼承載的非線性介質，其中，所述非線性介質的成分被配置為通過非線性混合所述第一聲脈沖和所述第二聲脈沖而產(chǎn)生平行脈沖，所述平行脈沖具有等于所述第一中心頻率與所述第二中心頻率之間的頻率的差的頻率以及等于所述第一帶寬擴展與所述第二帶寬擴展之和的帶寬擴展。根據(jù)所述測井工具，所述平行聲脈沖的頻率范圍能夠具有15kHz與120kHz之間的中心頻率。此外，所述非線性介質能夠包括各種液體的混合物、固體、顆粒狀物質、嵌入的微球體和/或乳狀液及上述的組合。進一步地，所述平行脈沖的帶寬擴展在所述第一中心頻率或所述第二中心頻率的50%與200%之間。所述測井工具能夠進一步布置為把所述平行脈沖傳送到所述井眼周圍的物質中，其中所述物質能夠是巖層、水泥或套管或者上述的組合。進一步地,所述非線性介質能夠具有100m/s與800m/s之間的聲速。該測井工具能夠進一步布置為由聲反射鏡反射和引導所述平行聲脈沖。根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開了一種非常緊湊的設備，位于井眼內，被配置為在井眼中產(chǎn)生和指弓I平行聲束進入井眼周圍的物質和巖層。所述設備包括換能器，被布置在所述井眼中的測井工具內并且被配置為接收由一個或多個電子源產(chǎn)生的第一頻率的第一電子信號和第二頻率的第二電子信號以及產(chǎn)生所述第一頻率和所述第二頻率的原生聲波；以及低聲速非線性材料，被布置在所述測井工具中這些原生聲波的傳輸路徑上并且被配置為由非線性參數(shù)陣列混合過程以等于所述第一頻率與所述第二頻率之間的頻率的差的頻率產(chǎn)生次生平行聲束。所述非線性材料能夠包括各種液體、固體、顆粒狀物質、嵌入的微球體和/或乳狀液的混合物，具有適當?shù)男再|聲速低、聲衰減低和對激波形成的阻抗高。所述設備能夠進一步包括聲反射鏡，被配置為反射所述平行聲束以及在給定方向上操縱所述聲束進入所述井眼周圍的所述位置和地層。所述設備能夠進一步包括被布置為沿著所述聲束傳播路徑的第一聲透鏡或透鏡組，被配置為改變所述聲束的波束幾何結構，以控制所述波束平行和/或被布置為對由于所述井眼與所述井眼周圍的所述物質之間的界面的幾何結構和聲學性質差異造成所述波束輻射模式的改變進行補償?shù)牡诙曂哥R或透鏡組。另外，所述第一聲透鏡組能夠為會聚透鏡，以改進所述波束平行，而所述第二聲透鏡組能夠為發(fā)散透鏡，其中所述發(fā)散透鏡能夠被布置為補償圓柱形井眼-地層界面對所述波束傳播的影響。所述設備能夠進一步包括接收器或接收器陣列，被布置在所述井眼中并且被配置為在所述聲束作為所述地層的特征的結果已經(jīng)改變后接收所述聲束，其中所述聲束已經(jīng)通過被所述井眼周圍的物質和地層反射、折射和/或反向散射而改變了。所述設備能夠進一步包括外殼，被配置為容納所述換能器和所述非線性材料。所述外殼能夠進一步包括所述聲反射鏡 與一個或多個透鏡組的任何組合。所述換能器和非線性材料能夠被同軸地安裝在所述測井工具內。所述設備能夠進一步包括編碼器，被配置為以時變代碼對所述聲束編碼，方式為對所述第一信號和所述第二信號之一引入時變分量，所述時變分量包括一個或多個線性調頻信號或頻率掃描。所述設備能夠進一步包括電子脈沖發(fā)生器，被配置為向所述換能器送入第一頻率和第二頻率的兩個電脈沖，在非線性混合介質中產(chǎn)生兩個聲束脈沖，以便產(chǎn)生次生短持續(xù)時間聲脈沖，它從所述設備作為平行波束傳播。根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開了一種方法，在位于井眼中測井工具內非常小的空間體積中以低頻和寬帶寬產(chǎn)生平行聲束并指引所述波束進入所述井眼周圍的物質和巖層。所述方法包括由位于所述測井工具內的換能器產(chǎn)生第一頻率帶寬的第一聲波和第二頻率帶寬的第二聲波，以及把所述第一和所述第二原生聲波傳送到具有低聲速的非線性介質中，所述非線性介質被布置在所述測井工具內沿著所述原生聲波的傳輸路徑并且被配置為由非線性混合過程產(chǎn)生次生平行聲束，其中所述次生平行聲束以與所述第一聲波和所述第二聲波的初始方向相同的方向通過所述非線性介質傳播并且具有與所述第一和所述第二原生聲波的頻率之間的頻率的差相等的頻率帶寬。所述方法能夠進一步包括由沿著所述聲束傳輸路徑布置的第一聲透鏡改變所述波束的幾何結構以改進所述測井工具內所述聲束的平行和/或由第二聲透鏡補償可歸因于所述井眼的特征的所述波束幾何結構的改變并且保持大地內近似平行波束。不僅如此，所述方法能夠進一步包括由聲反射鏡在給定方向反射和引導所述聲束。另外，所述方法能夠進一步包括在所述聲束作為所述地層的特征的結果已經(jīng)改變后由接收器接收所述井眼中的所述聲束。所述方法能夠進一步包括由固定的高頻信號和線性調頻信號激勵所述換能器；產(chǎn)生一個或多個高頻聲束；接收所述一個或多個高頻聲束；產(chǎn)生固定頻率猝發(fā)音和與所述固定頻率猝發(fā)音持續(xù)時間相同的線性調頻信號，其中所述固定頻率猝發(fā)音等于所述高頻信號與所述非線性材料中所述非線性混合過程所述線性調頻頻率信號之間的差頻。所述固定的高頻信號可以在250kHz與I. 5MHz之間，而所述線性調頻頻率信號可以線性調頻，使得所述固定的與線性調頻的頻率之間的差在3%至20%之間。所述方法能夠進一步包括由所述換能器產(chǎn)生具有第一中心頻率和第一帶寬擴展的第一脈沖以及具有第二中心頻率和第二帶寬擴展的第二脈沖；把所述第一脈沖和所述第二脈沖傳送進所述非線性材料；以及通過所述非線性混合過程由所述非線性材料以中心頻率等于所述第一中心頻率且所述第二中心頻率之間頻率差以及帶寬擴展等于所述第一帶寬擴展與所述第二帶寬擴展之和來產(chǎn)生聲束脈沖。根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開了一種系統(tǒng)，用于對井眼周圍地層和其他物質的性質成像。所述系統(tǒng)包括在井眼中運送的測井工具內緊湊的低頻聲源總成和波束調整設備，它指引平行聲束離開所述測井工具進入所述周圍井眼并且由該處到所述地層或者套管和水泥，使得某些所述輻射能通過反射、折射和散射的結合返回所述井眼；接收器的陣列；以及控制所述波束方向并優(yōu)化其性質、記錄所述接收的信號及變換所記錄的數(shù)據(jù)以產(chǎn)生井眼周圍所述地層和其他物質的的圖像必需的軟件和硬件，這些圖像經(jīng)過解釋可以產(chǎn)生所述井眼周圍體積的有關信息。所述系統(tǒng)進一步包括為了所討論的應用的成像需求在持續(xù)時間和頻率成分方面優(yōu)化的被傳送信號的生成，以及為了根據(jù)所需要的應用尤其是勘測的半徑深度優(yōu)化系統(tǒng)性能的所述波束產(chǎn)生和調整總成及所述接收器陣列的尺寸規(guī)格和配置的選擇。根據(jù)本發(fā)明的一方面，類似于2D反射地面地震，段落21和22中的所述系統(tǒng)記錄要以成像算法處理的數(shù)據(jù)，以對每一個方位角方向都產(chǎn)生沿著所述井眼軸周圍的所述地層 和其他物質的性質的2D圖像。所述系統(tǒng)能夠進一步對360度方位角方向提供所述2D圖像的掃描。所述組的掃描的方位角2D圖像能夠隨后以高級成像算法疊加和/或處理以提供沿著所述井眼軸周圍的所述地層和其他物質的性質的全3D圖像。所述系統(tǒng)可以進一步包括優(yōu)化所述處理算法和所述最終圖像的顯示，使得它們包含的有關所述井眼周圍所述性質的所述信息容易對所述數(shù)據(jù)的用戶一目了然。根據(jù)本發(fā)明的某些方面，公開了井眼中可定位的測井電纜或管道運送的測井工具。所述測井工具包括(a)構造和布置為放置在井眼中的超聲波換能器，所述換能器被配置為由持續(xù)時間在20-200微秒之間的兩個同時但是不一致的瞬態(tài)電信號激勵，第一個信號在250kHz與I. 5MHz之間的第一頻率而第二個信號在300kHz與I. 5MHz之間的第二頻率，分別產(chǎn)生所述第一頻率和所述第二頻率的第一和第二聲波；(b)聲學非線性材料，具有3與12英寸之間的長度，被布置為沿著所述換能器的傳輸路徑，所述換能器允許由所述換能器產(chǎn)生的所述兩個聲波非線性混合以所述第一頻率與所述第二頻率之間的若干瞬時頻率中的差對應的頻率產(chǎn)生與原始激勵信號持續(xù)時間相同的瞬態(tài)聲束，所述聲束具有15與120kHz之間的頻率。所述測井工具能夠被配置為將所述電信號編碼，方式為引入時變分量，該時變分量包括對所述信號之一或雙方的一個或多個線性調頻或頻率掃描。不僅如此，所述測井工具還能夠被配置為所述聲束具有15與120kHz之間的所述頻率。另外，所述測井工具能夠被配置為所述測井工具被布置為保持取決于所述非線性材料中混合長度的所述聲束的平行的級別，以及產(chǎn)生所述聲束使得所述聲束離開所述非線性材料并且繼續(xù)通過所述測井工具沉浸其中的介質傳播。參考附圖(其全部形成本說明書的一部分，其中相同附圖標記指明多幅圖中對應的部分)考慮了以下說明和附帶的權利要求書后，本發(fā)明的這些和其他目的、特點和特征，以及相關構造元素的操作方法和功能以及部件的組合和制造節(jié)約措施將變得更顯然。不過，應當明確地理解，這些附圖僅僅是為了展示和說明，而不試圖作為限制本發(fā)明的定義。正如在說明書和權利要求書中的使用，單數(shù)形式的“某”和“所述”包括了復數(shù)對象除非語境清楚地另外規(guī)定。


圖I顯示了根據(jù)本公開的一方面產(chǎn)生平行波束的實例設備的一般化圖示；圖2a、2b和2c顯示了根據(jù)本公開的若干方面通過非線性過程產(chǎn)生差頻的不同模式；圖3a和3b顯示了根據(jù)平行波束的振幅和軸向(z方向)位置，水中的非線性混合的試驗結果與理論預測的對比；圖4a和4b顯示了根據(jù)多個激勵頻率的平行波束振幅以及軸向(z方向)和橫向(x方向)位置，在作為非線性介質的水中的非線性混合的試驗結果；圖5a和5b顯示了本公開的一方面，由線性調頻脈沖產(chǎn)生平行波束；圖6a、6b和6c顯示了本公開的一方面，由線性調頻脈沖產(chǎn)生平行波束； 圖7a、7b和7c顯示了本公開的一方面，由使用CNC海綿塊的非線性混合過程產(chǎn)生平行波束；圖8顯示了本公開的一方面，使用經(jīng)由封閉鋁管傳送的CNC海綿塊，由非線性混合過程產(chǎn)生平行波束；圖9顯示了本公開的一方面，使用310M陶瓷塊作為非線性材料，由非線性混合過程產(chǎn)生平行波束；圖10顯示了本公開的一方面，該設備用于描述井眼附加地層和/或物質的特征；圖11顯示了根據(jù)本公開的一方面，聲束波導的對應旋轉軸；圖12顯示了本公開的一方面，使用310M陶瓷塊作為非線性材料，由非線性混合過程產(chǎn)生平行波束穿透金屬套管；圖13a和13b顯示了本公開的一方面，平行波束以聲反射鏡操縱后離開該金屬套管；圖14顯示了本公開的一方面，該設備與或不與聲波聚焦系統(tǒng)一起使用，向下直視井眼；圖15a、15b和15c顯示了根據(jù)本公開的一方面，管外物體成像的實例試驗裝置和
結果;圖16顯示了根據(jù)本公開的一方面，具有換能器和低聲速(646m/s)非線性混合流體比如氟化液FC-43的腔室，能夠以20-120kHz帶寬產(chǎn)生平行聲束的非常緊湊聲源設備的尺寸規(guī)格。圖17顯示了由圖16中非常緊湊設備產(chǎn)生的聲束的平行輻射特征對從常規(guī)換能器產(chǎn)生的聲波的漫射輻射特征的對比；圖18顯示了由圖16中緊湊設備產(chǎn)生的波束聲脈沖的脈沖波列、從50到150kHz的頻譜和輻射特征；圖19a和19b顯示了軸向安裝的聲源、聲透鏡和反射鏡局部總成的示意圖，顯示了由反射鏡和透鏡局部總成對波束操縱和聚焦，以保持設備內部以及井眼周圍物質和地層中聲束的平行；圖20顯示了加入了聲源、聲反射鏡和透鏡以及接收器陣列的原型設備的示意圖；圖21a和21b顯示了系統(tǒng)實例，其中對圖20中裝置的操作進行了若干實驗室試驗。圖22顯示了在波束朝向圖21中裝置的不變方位角和傾角方向時，對于固定的聲源位置，由陣列中接收器的每一個檢測的信號；圖23顯示了多方位角面板顯示，覆蓋了圖21中裝置的35到145度方位角；圖24顯示了所產(chǎn)生的圖像，方式為在110度方位角的范圍內以5度的增量繪制來自同一接收器的信號。
具體實施例方式圖I顯示了根據(jù)本公開的一方面產(chǎn)生平行波 束的設備的一般化圖示。在某些實施例中，一個或多個源110用于產(chǎn)生第一頻率的第一信號和第二頻率的第二信號。利用非限制性實例，這些信號能夠利用2通道信號發(fā)生器產(chǎn)生。類似的信號或函數(shù)發(fā)生器也可以使用。來自源的信號由一個或多個信號放大器120接收，并且被傳送到一個或多個換能器130，它們被用于產(chǎn)生第一或第二頻率的聲波。第一頻率和第二頻率可以是寬帶，具有的頻率范圍包括中心頻率，在該中心頻率周圍有某種頻率擴展。壓電換能器是適于這種應用的一種類型。如果使用不止一個換能器，它們能夠以陣列結構排列。利用非限制性實例，該陣列結構可以是直線形、環(huán)形、圓形或正方形陣列。陣列內的換能器被分成兩組，其中第一組換能器由某源以第一頻率驅動，而第二組換能器由該源或由不同源以第二頻率驅動。在本發(fā)明的某些方面，被配置為產(chǎn)生第一頻率的源和被配置為產(chǎn)生第二頻率的源同時驅動全部換能器。利用非限制性實例，第一頻率是I. 036MHz而第二頻率是O. 953MHz。聲波信號經(jīng)由非線性材料140傳送以利用非線性混合過程產(chǎn)生平行聲束。非線性材料可以是液體、液體混合物、固體、固體套管中嵌入的顆粒狀材料、嵌入的微球體或乳狀液。利用非限制性實例，這樣的非線性材料是由紐約市布魯克林區(qū)的Cotronics公司出售的310M陶瓷泡沫，它由99%以上的純熔融硅石陶瓷組成，并且熱膨脹和傳導性低、熱沖擊阻抗高且熱反射比高。310M具有O. 80g/cm3的密度和1060m/s的聲速。非線性材料另一個非限制性實例是聚氨酯泡沫板材料。這種類型的泡沫典型情況下被用于計算機數(shù)控(后文稱為“CNC”)加工。CNC泡沫具有O. 48g/cm3的密度和1200m/s的聲速。非線性材料140可以進一步是非線性高、聲速低、聲衰減低和對激波形成阻抗高的材料，使得能夠從非常緊湊的源產(chǎn)生高度平行波束。取決于井眼中的操作條件，具有適當?shù)牡吐曀?、高非線性耦合、吸收長度、沖擊波長度、溫度和壓力運行的其他非線性材料并列并且被選擇以使混合體積的尺寸最小以及滿足由可操作性規(guī)范所要求的其他需求。平行波束源的尺寸規(guī)格和性能尤其依賴于非線性材料的某些性質，并且可以定義對它們的某些限制。非線性參數(shù)β可以在2與50之間。例如，大多數(shù)液體的β范圍在2與10之間。從其他固體材料能夠獲得更高的β。在某些方面，非流體非線性材料的β可以為200或更高。非線性液體的聲速在環(huán)境條件下可以在450m/s與1700m/s之間。在某些方面，非線性材料的聲速可以在100m/s與800m/s之間。Q即品質因數(shù)值往往不是液體的限制因素并且其范圍能夠從道爾硅油的280到普通液體的幾萬。在某些實施例中，Q可以為至少30。通過分析從非線性混合現(xiàn)象中產(chǎn)生的P波的性質，可以描述這種非線性行為的特征，在該現(xiàn)象中和f2兩種不同頻率的兩種入射波混合以產(chǎn)生具有諧頻和互調頻率f2-f\、ffUfi和2f2等的若干第三頻率成分。在本發(fā)明的一方面，非線性共軸混合現(xiàn)象被設計為出現(xiàn)在井眼內部的非線性材料中。一般來說，這種應用僅僅關注具有差頻4-4的最終第三種波。更高的頻率僅僅傳播了短距離并趨向于在非線性材料自身中被吸收。反射、折射和散射的聲能由位于或者產(chǎn)生平行波束的同一井眼或者另一個井眼的一個或多個接收器150接收。例如，一個或多個接收器可以包括一個或多個聲換能器、一個或多個水聽器或適于所關注頻率范圍的另一種類型的接收器。接收的信號能夠由帶通濾波器160濾波并由預放大器170放大。濾波和放大的 信號可以顯示在數(shù)字轉換器上，比如數(shù)字示波器180。數(shù)字示波器180能夠由計算機190控制。計算機190也能夠用于控制信號發(fā)生器110。圖2a、2b和2c顯示了在非線性材料中產(chǎn)生差頻的不同模式。符號f、f\和f2指高頻信號。由換能器210從源110和功率放大器120接收的信號進入非線性材料220。在一定的傳播長度后，在非線性材料220中產(chǎn)生了差頻。圖2a顯示了差頻f2-f\的產(chǎn)生，方式為向同一換能器210施加具有不同頻率4和&的兩個不同信號。圖2b顯示了差頻Af的產(chǎn)生，方式為施加頻率f和Af調制的調幅信號。圖2c顯示了差頻f2_f\的產(chǎn)生，方式為施加兩個不同的信號，對第一換能器230施加具有第一頻率的信號而對第二換能器240施加具有第二頻率f2的信號。高頻波束在非線性材料中重疊并產(chǎn)生差頻f2-flt)根據(jù)以上論述，并且利用非限制性實例，第一頻率是I. 036MHz而第二頻率是
O.953MHz。與非線性材料相互作用產(chǎn)生的平行聲束具有的頻率將等于第一頻率與第二頻率之間的差。在這個實例中，平行聲束具有83kHz明顯主頻的窄頻帶。在某些實施例中，平行聲束可以具有相對寬的頻率范圍，其中第一頻率是單一的窄帶頻率而第二頻率是橫跨更寬范圍頻率的掃頻。第一頻率也可以是像第二頻率一樣的橫跨寬范圍頻率的掃頻。無論哪種情況，第一頻率、第二頻率或者雙方都能夠是編碼的信號或未編碼的線性調頻信號。對信號編碼的一個益處是信噪比的改進。在某些實施例中，平行波束以時變代碼編碼，它能夠被引入到或者第一或者第二信號中，或者兼而有之。時變代碼可以包括振幅變化、頻率變化和/或第一、第二或第一和第二信號的雙方的相位變化的一種或多種。收到的平行波束的時變代碼能夠用于測量該波束的飛行時間。此外，在某些實施例中，如果原生頻率之一經(jīng)由頻率范圍掃頻而另一個是固定的，平行波束就能夠是寬帶。從而產(chǎn)生的第三波束f2-f\將是橫跨寬頻率范圍的掃頻。圖3顯示了關于基于非線性混合和波傳播理論的理論預測的實驗室測量的結果。聲波傳播時所通過介質的非線性特征扭曲了它們。聲波的非線性傳播能夠經(jīng)由Khokhov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK)方程模擬,它能夠由有限差分近似模式求解。如果給定了諸如初始傳輸聲壓、換能器直徑和換能器陣列幾何形狀、傳播距離以及介質這些參數(shù)，KZK方程解釋了多個非線性特征，比如聲壓的衍射、聲壓的衰減(即吸收)以及諧頻分量的產(chǎn)生(即非線性)，并且把聲波信號的形態(tài)模擬為聲壓。KZK非線性拋物線方程考慮了定向聲束中的衍射、吸收和非線性的組合效應。對以正z方向傳播的軸對稱聲束，KZK方程可以按照聲壓P表示如下￡iL = si￡￡ + i^) + 4^ + ^T^(I)
Pzdi 2 ^Pr r dr) 2c: dr, 2pac{ Dt2其中t’ =t-z/c0是延遲的時間變量，t是時間，C0是小信號聲速，r= (x2+y2) 1/2是離Z軸(即離波束的中心)的徑向距離，f2/6r2 +(l/r)a/3r是橫向拉普拉斯算子，而P ^是流
體的周圍介質密度。不僅如此，= + +[是熱粘性介質的聲擴散
率，其中(是體粘度、H是剪切粘度、K是熱傳導率，而~和(^分別為等容和等壓的比熱。非線性系數(shù)由β = 1+Β/2Α定義，其中Β/Α是介質非線性參數(shù)。方程(I)右側第一項說明衍射(聚焦)作用，第二項說明吸收而第三項說明衰減介質的非線性。KZK模型的形式和使用的進一步細節(jié)可以在 Y. - S. Lee, “Numerical solution of the KZK equation for pulsedfiniteamplitude sound beams in thermoviscous fluids,，，Ph. D. Dissertation, TheUniversity of Texas at Austin(1993)中找到,其全部內容在此引用作為參考。對于實驗室的測量，以O. 953MHz和I. 036MHz激勵了該換能器，導致平行波束具有的頻率等于差I. 036MHz-O. 953MHz=83kHz。平行波束由非線性混合過程產(chǎn)生，使用水作為非線性材料。圖3a顯示了對于水聽器接收器在某范圍的z和X位置產(chǎn)生的波束的振幅。圖3b顯示了觀察的軸強度剖面的圖形，與理論吻合良好。
圖4a顯示了以各種各樣差頻激勵換能器從而產(chǎn)生了具有不同頻率的平行波束所獲得的結果。這些結果被顯示為由電壓測量的振幅對沿著z軸方向以毫米測量的位置的圖形。在這項實驗室試驗中，產(chǎn)生了具有頻率IOkHz、37kHz、65kHz、83kHz和100kHz的平行波束。正如圖中可見，沿著z軸方向平行波束具有類似的波束剖面。圖4b顯示了離發(fā)射器IlOmm距離處的波束橫剖面。在這幅圖中，由電壓表示的波束振幅對照以毫米測量的X軸方向被繪制。這些結果指明，以各種各樣頻率的平行波束在X方向顯示了類似的高度集中的波束橫剖面，不像在X軸方向將更散開的相同頻率的波。正如以上的討論，平行波束能夠具有相對窄的頻率范圍，其中一個或多個換能器由產(chǎn)生特定頻率的源激勵，或者平行波束也能夠具有相對寬的頻率范圍。圖5a和5b顯示了產(chǎn)生具有相對寬頻率范圍的平行波束的實例。利用非限制性實例，圖5a顯示了頻率范圍從900kHz到IMHz的有限持續(xù)時間的線性調頻信號，以及IMHz頻率的脈沖。圖5b顯示了結果脈沖，繪制為以電壓表示的振幅對以微秒計的時間。圖6a顯示了離圖6b所示的波束發(fā)射器在z方向若干選定距離的一系列橫向掃描。選定的距離是10cm、20cm、30cm、40cm、50cm和60cm。由電壓確定的振幅對x軸距離的圖形顯示出，該波束擴展不大并且相對地不變和與離換能器的z方向距離無關。圖6c顯示了平行波束的頻譜。該圖顯示出，對于這個特定裝置，可用頻率范圍從20kHz到120kHz。使用頻率范圍的低端可以低至5kHz，并且僅僅受井眼的尺寸限制。其他的頻帶可以用于平行波束，包括典型情況下在kHz范圍內的聲波測井頻率，以及典型情況下在幾百kHz到MHz范圍內的井下電視類型的頻帶。這樣的裝置的一種益處是，與非線性調頻信號源相比，在井眼中使用寬帶寬的線性調頻信號源將可能趨向帶來信噪比的改進。線性調頻信號進一步可以允許對時間延遲估計的改進，在成像應用中將是有益的。圖7a顯示了由使用CNC海綿塊作為非線性材料的混合過程產(chǎn)生的平行波束。換能器陣列710被配置為產(chǎn)生I. 000MHz和I. 087MHz頻率的聲波。換能器陣列710被耦合到CNC泡沫720，其中兩種聲波信號混合，形成了具有87kHz頻率的平行波束730。CNC泡沫塊具有80mm的孔，平行波束從中傳播。圖7b顯示了在橫向距離90mm(x軸)和軸向距離20mm(z軸)處時間域中的平行波束的振幅。圖7c顯示了在87kHz具有強峰值的頻率域中的平行波束。
圖8類似于圖7a，但是顯示了由外殼840內布置的換能器陣列820和CNC泡沫塊830產(chǎn)生的平行波束810。如圖所示，外殼840是鋁管，具有323mm的總長度、140mm的內直徑和153_的外直徑。圖9類似于圖7a，并且顯示了由使用310M陶瓷塊作為非線性材料的非線性混合過程產(chǎn)生的平行波束。換能器陣列910被配置為產(chǎn)生I. 353MHz和I. 440MHz頻率的聲波信號。換能器陣列910被耦合到310M陶瓷塊920，其中兩種聲波信號的混合，形成了具有87kHz頻率的平行波束930。310M陶瓷塊920具有IlOmm的孔，平行波束從中傳播。正如從圖中可見，平行波束具有若干旁瓣，延伸到離陶瓷塊孔大約幾厘米的近場區(qū)域；不過，這些旁瓣未延伸到該波束的遠場區(qū)域中。圖10顯示了本發(fā)明的一方面，其中所述設備用于描述井眼附近地層和/或物質的特征。一個或多個源1005產(chǎn)生第一頻率和第二頻率的信號。這些信號被傳送到信號放大器1010，信號放大器被配置為增大信號的功率。由放大器1010改變的信號被傳送到一個或多個換能器1015，換能器被配置為產(chǎn)生第一頻率和第二頻率的聲波。這些聲波被傳送到非 線性材料1020，非線性材料利用混合過程混合所述波以產(chǎn)生平行聲束1025。平行聲束1025可以由操縱設備比如聲束波導1030操縱在特定方向。聲束波導1030可以是聲反射體或聲透鏡。聲反射體可以是波束在其中傳播時與周圍介質具有不同聲阻抗的材料。這樣的聲反射體的一個非限制實例是金屬板。聲透鏡被配置為把平行聲束聚焦在特定的焦點和方向，并且能夠具有凹形。菲涅耳型反射鏡裝置也可以用作聲束波導。通過使用連接到該波導的一個或多個傳動機構，可以將聲束波導旋轉到特定朝向，正如圖11中更詳細的顯示。在某些實施例中，可以不使用聲束波導1030，而平行波束將沿著該井眼的軸傳播。平行波束1040可以被反射離開波導1030并被操縱到朝向井眼附近所關注物體1045的特定方向。該地層的不均勻體，比如物體1045或沿著波束定位的鄰近礦床將產(chǎn)生該聲束的反射或散射。確切地說，由于井眼外的局部不均勻性、平面裂隙等造成的聲阻抗差異，引起聲束的反射或散射，其中的某些將返回井眼。在套管井中，從套管內壁、可能附著到也可能不附著到水泥的套管外壁、水泥中的任何空洞、水泥或流體與地層的界面以及任何另外的同心套管柱反射能量。在開放鉆孔的應用中，從由于(例如)鉆孔導致的地層機械改變、流體侵入、自然裂隙、次生礦物的結核和礦床邊界造成的阻抗邊界反射能量。反射和散射的波1050由同一井眼(對于單井成像的情況)或另一個井眼(對于井間成像的情況)中的一個或多個接收器1055接收。接收器1055能夠被連接到波導1030，以使得這些接收器被配置為隨著波導1030的移動而接收反射波1050。由接收器1055接收的信號能夠被傳送到處理電子設備1060進行分析。處理電子設備1060可以包括計算機，帶有的適當軟件用于描述巖層特征，包括產(chǎn)生地層的2D或3D圖像。井下工具被容納在外殼1065中以允許標準的測井操作。在本發(fā)明的某些方面，包括換能器1015、非線性材料1020和接收器1055的整個設備能夠在整個井眼中上下移動，對井眼附近的特定地層成像。不僅如此，具有或沒有接收器1055的整個設備能夠圍繞著該井眼的軸旋轉，以便圍繞井眼以任何方位角方向對地層成像。圖11顯示了聲束波導1105的對應旋轉軸。平行波束的方向操縱的方式為選擇地控制圍繞波導軸1110旋轉的波導方位角以及傾角1115——波導的前方平面與波導軸之間的角度。通過使用傳動機構(未顯示)，波導平面能夠按方位角和傾角有效地控制。因此能夠使用傳動機構操縱或改變該平行波束的方向。圖12顯示了由使用310M陶瓷塊作為非線性材料的非線性混合過程產(chǎn)生的平行波束穿透金屬管套管。換能器陣列1205被配置為產(chǎn)生聲波信號，具有例如I. OOOMHz和I. 087MHz的頻率。換能器陣列1205被耦合到310M陶瓷塊，其中兩個聲波信號混合，形成具有87kHz頻率的平行波束1215，它經(jīng)由金屬管套管1220傳播。換能器陣列1205能夠圍繞井眼縱軸旋轉以便對井眼周圍的地層成像。從地層反射的和反向散射的波束能夠被該井眼中或另一個井眼中的一個或多個接收器(未顯示)接收。接收器能夠被連接到換能器陣列1205，以便以類似方式旋轉，使得反射的或反向散射的波束由這些接收器接收。正如在圖中可見，該波束在離開金屬管套管1220后保持其平行。圖13a和13b顯示了以聲反射鏡操縱并離開金屬管后的平行波束。圖13a和13b類似于圖12，差異在于該非線性材料(在這種情況下是水)正產(chǎn)生沿著管道的非線性波束，并且該波束借助于聲反射鏡板被操縱到管外，與初始傳播方向正交。換能器陣列1305被配 置為產(chǎn)生聲波信號，具有例如O. 953MHz和I. 036MHz的頻率。換能器陣列1305被耦合到非線性材料(水)1310，其中兩個聲波信號混合，形成具有83kHz頻率的平行波束1315，它從聲反射鏡1320反射并經(jīng)由金屬管套管1325傳播。正如從圖中可見，該波束在離開金屬管套管1325后保持其平行，并且能夠容易地通過旋轉該聲反射鏡而操縱，其方式使得平行波束的入射角被改變。圖13b顯示了已經(jīng)旋轉了反射鏡1320時產(chǎn)生的波束操縱。圖14顯示了本發(fā)明的一方面，其中該設備與聲聚焦系統(tǒng)一起使用。一個或多個源1405產(chǎn)生第一頻率和第二頻率的信號。這些信號被傳送到信號放大器1410，被配置為提高信號的功率。由放大器1410改變的信號被傳送到一個或多個換能器1415，換能器被配置為產(chǎn)生第一頻率和第二頻率的聲信號。這些聲信號傳播到非線性材料1420，它利用混合過程混合這些信號以產(chǎn)生平行聲束1425。在某些實施例中，平行聲束1425入射到聲聚焦系統(tǒng)1430上。平行波束趨向具有一定的波束擴展，它隨著該波束經(jīng)由該外殼(即管道)傳播而增大。這種波束擴展意味著，離波束起源的一定距離處，該波束將與該外殼的壁相互作用，趨向產(chǎn)生不利的后果。聲聚焦系統(tǒng)1430通過使波束聚焦而減少波束與外殼的這種相互作用從而減少波束擴展。聚焦不需要將波束剖面減小到一點，而是僅僅產(chǎn)生良好界定的波束，該波束不因為從外殼壁的反射而被扭曲或衰減，使得該波束剖面在角度上不擴散太多。聲聚焦系統(tǒng)1430的一個非限制實例是樹脂玻璃或其他材料制作的菲涅耳透鏡，適當?shù)爻尚螘r減小了波束擴展。聲聚焦系統(tǒng)1430可以包括各種各樣的材料，包括在外殼中充滿了與所述非線性材料聲速不同的液體的腔室，其中該腔室被恰當?shù)爻尚?，或凸或凹，取決于該液體的聲速。一般來說，與外殼中非線性材料的聲阻抗合理地匹配的任何材料都能夠用作聲聚焦系統(tǒng)1430。在某些實施例中，由材料1420中的非線性混合所產(chǎn)生的波束1425被充分地良好界定并在角度上不擴散太多時，不使用聲聚焦系統(tǒng)1430。在這種情況下，波束1425離開材料1420而沒有被進一步改變。罩或外殼1435被配置為容納和支持若干換能器1415、非線性材料1420、聲聚焦系統(tǒng)1430以及一個或多個接收器1440。聚焦的聲束被指引沿著罩1435的軸，并且從受關注物體1445反射或散射。物體1445可以包括巖層中的不均勻體，比如侵入?yún)^(qū)、與套管的水泥固結、受損區(qū)、裂隙區(qū)、地層學上的分層(尤其在高視傾角，即在相對低傾角地層中的高角度井)。接收器1440被配置為接收反射的或散射的信號1455，并且該信號由處理電子設備1450處理。圖15a、15b和15c顯示了根據(jù)本發(fā)明的一方面的試驗裝置和管外物體成像的結果。圖15a顯示的試驗裝置類似于圖10的設計，其中源換能器1505被配置為產(chǎn)生聲信號并被耦合到非線性材料1510，它被配置為通過非線性混合過程產(chǎn)生平行聲束1515。源換能器1505可以由源發(fā)生器和功率放大器(二者都未顯示)驅動。外殼1520比如圓柱外殼被配置為容納換能器1505、非線性材料1510、聲束波導1525以及一個或多個接收器1530。平行聲束1515由聲束波導1525指引到外殼1520之外。利用非限制性實例，在這個裝置中，聲束波導1525是聲反射體。反射的平行波束1530入射到外殼1520之外的物體1535上。該物體1535可以包括巖層中的不均勻體，比如侵入?yún)^(qū)、與套管的水泥固結、受損區(qū)、裂隙區(qū)、地層學上的分層(尤其在高視傾角，即在相對低傾角地層中的高角度井)。平行波束1540在已經(jīng)從物體1535反射或反向散射后，由(或者位于同一井眼中或者在另一個井眼中的)一個 或多個接收器1550接收。在圖15a的試驗裝置中，該物體圍繞軸1545被旋轉了 360度并且對接收器1550記錄的聲強度進行了測量。在這個裝置中，物體1535是形狀稍微不規(guī)則的固體鋁塊，放置在離管壁大約61cm處。管和塊體都被沉浸在水中。圖15b顯示了測出的反射強度的極坐標圖，而圖15c顯示了測出的反射時間的極坐標圖。在圖15b和圖15c中，為了與測量數(shù)據(jù)對t匕，都顯示了鋁塊的橫剖面。正如圖15b所示，當塊體的面處于使接收器處的反射信號最大的位置時有大的信號。因此，每個峰值都表示該塊體的面。圖15c顯示了飛行時間。塊體旋轉時，面向前并后退，改變了聲束必須傳播的總距離。應當理解，在井眼配置中，將通過旋轉設備而獲得強度圖像。因此反射信號的振幅表示來自圍繞井眼周邊的不均勻體的反射。通過選擇聲速低、非線性高、衰減低和對激波形成阻抗高的非線性材料140，能夠使該設備非常緊湊同時以從20到120kHz的寬帶寬產(chǎn)生低頻平行波束。取決于井眼中的操作條件，可以選擇具有適當?shù)牡吐曀?、高非線性耦合、吸收長度、沖擊波長度、溫度和壓力操作范圍的其他非線性材料，使得混合體積的尺寸最小，以及滿足可操作性規(guī)范所要求的其他需求。利用另一個非限制性實例，非線性材料可以是FLUORINERT FC-43，它是應用在電子設備中若干應用所用的惰性液體的商標，由明尼蘇達州St. Paul的3M公司出售。FLU0RINERTFC-43由于其低聲速(646m/s)及其7. 6的高聲非線性參數(shù)β，是非線性聲混合的適當液體。也可以使用來自氟化液族的其他液體，因為它們都具有類似的物理性質。氟化液的化學和熱學性質穩(wěn)定，與敏感物質相容且實際上無毒。它的絕緣強度比空氣高大約10倍，這帶來了它在非線性聲學應用中所需要的高激勵功率下的安全使用。它的通常用途是用于易受高溫損害的電子組件的沉浸熱冷卻。在某些方面，該設備包括發(fā)射器，高頻換能器，典型情況下被設計在IMHz左右運行，被連接到充滿流體的容器或混合體，包含著非線性材料，例如充滿氟化液FC-43或具有低聲速的類似惰性液體的圓筒。非線性材料的混合腔室的長度和寬度可以非常緊湊，并且對于20-120kHz的波束頻率范圍能夠小至12cmX6cm，如圖16所示。如果波束頻率范圍的低端被提高到50kHz，能夠將該腔室減小到5cmX3cm的尺寸。高頻換能器能夠被固定頻率和線性調頻頻率信號激勵，例如I. 03MHz和O. 91至I. OlMHz的線性調頻信號(原生)，它們產(chǎn)生了高頻聲束,在混合流體比如FC-43中傳播。由于該流體的聲學非線性性質，若干高頻波束相互作用以產(chǎn)生差頻和原發(fā)頻率的更高的諧波。這些原發(fā)頻率和更高的諧波能夠在混合流體中衰減(聲學非線性流體的性質)，并且只有差頻才將傳播得更遠。從以上引用的原生頻率相互作用產(chǎn)生的差頻波束在20-120kHz的范圍。由聲學非線性混合產(chǎn)生的低頻和窄波束寬度的組合使得該設備是對井眼之外聲學成像的適當候選。寬帶寬的低頻聲束與高頻相比趨向產(chǎn)生更低的衰減，同時窄的平行可以為聲學成像提供良好的分辨率。典型的常規(guī)壓電和其他聲源具有窄帶寬——最大30%。所以，具有70kHz中心頻率的設備將具有大約60到80kHz的頻率范圍。為了以厚度模式壓電圓片或平板獲得它，該材料的厚度和直徑不得不相當大以防止產(chǎn)生各種徑向和其他模式。波束擴展也會非常大，正如圖17右側顯示圖所示。很清楚，這樣的源不會產(chǎn)生像輻射模式的波束。比如圖16所示的源，使用兩種頻率的非線性混合將可能發(fā)射(例如)固定頻率猝發(fā)音(f\)和具有相同的持續(xù)時間而頻率范圍從的O. 89到O. 98的線性調頻信號(f2)。這個 范圍不是絕對的——f2范圍的低端受限是因為混合效率隨著頻率差Λ f關于增大而退化，高端受限是因為平行需要充滿流體的容器長度最小約為差頻的四個波長。從250kHz到I. 5MHz范圍內的固定頻率適于井眼應用。I. 03MHz的固定頻率和以上介紹的從大約O. 91到I. OlMHz范圍內的f2會產(chǎn)生具有70kHz中心頻率和從20kHz到120kHz范圍的平行波束。圖17的左側顯示圖顯示了由兩個類似換能器(分別為38和28mm直徑)產(chǎn)生的波束，被優(yōu)化到IOOkHz的一個以83kHz運行，被優(yōu)化到IMHz的另一個發(fā)射O. 953和I. 036MHz的電子混合信號，產(chǎn)生了83kHz的差頻波束。該測量在水中進行。差頻波束在離該源的一米處保持平行。在某些方面，圖16所示的緊湊源可以用于產(chǎn)生沿著平行波束軌跡行進的寬帶寬的聲脈沖。例如，當兩個原生高斯脈沖，一個具有中心頻率1和帶寬擴展而另一個具有中心頻率&和σ 2的帶寬擴展，在含有非線性材料的腔室中被混合，產(chǎn)生了具有中心頻率Cf^f1)和帶寬大約為(σ !+O2)的次生聲脈沖。例如，中心頻率為I. 025MHz和I. 075MHz的兩個高斯脈沖都具有40KHz的帶寬擴展，在腔室中混合以產(chǎn)生聲脈沖及其對應的25至150kHz的頻譜，并且具有如圖18所示的平行軌跡。用緊湊設備經(jīng)由參數(shù)陣列混合機制沿著固定平行方向產(chǎn)生聲脈沖可以非常靈活。能夠以電子方式控制頻率和f2以及帶寬擴展01和σ2，允許在井眼和別處的測量操作期間靈活地設計和改變次生聲脈沖的頻率和帶寬。從源設備發(fā)出的平行波束可能趨向發(fā)散，而通過在若干原生頻率混合以產(chǎn)生差頻波束的體外放置聲透鏡或透鏡組能夠改進該波束的平行。我們已經(jīng)使用了Plexighis (樹脂玻璃)，但是具有低聲衰減和適當聲阻抗的任何材料都可以使用。在某些情況下，井眼流體與地層和圓柱井眼表面之間的阻抗差異能夠引起波束幾何形態(tài)的改變，使得該波束可能趨向會聚到某焦點，然后在地層內部發(fā)散。在這種情形下，把收到的信號變換為圖像就可能變得復雜。為了補償這種效應，第二聲透鏡或透鏡組，比如發(fā)散透鏡，就能夠被放置在聲反光鏡與井壁之間，使得波束在該井眼外保持更平行。第二聲透鏡或透鏡組的目的是預測井眼-地層界面的發(fā)散效應，它的作用就像圓柱透鏡，把波束聚焦在地層中某位置，越過該位置后波束發(fā)散。界面的聚焦效應取決于井眼的曲率和泥漿與地層之間的阻抗差異。圖19a和19b展示了第一和第二透鏡組保持該波束平行的功能。
圖19a和19b顯示了本公開的一方面，其中該設備與兩個透鏡組一起使用。確切地說，圖19a既顯示了設備的側視圖又顯示了俯視圖，包括在井眼1605內放置的外殼1601和反射鏡1625。圖19b既顯示了設備的側視圖又顯示了俯視圖，包括在井眼1605中的外殼1601、外殼1601內放置的會聚透鏡1610、反射鏡1625和發(fā)散透鏡1630。正如以上介紹，一個或多個源(未顯示)被配置為產(chǎn)生第一頻率和第二頻率的信號。這些信號被傳送到信號放大器(未顯示)，然后被傳送到一個或多個換能器(未顯示)，它們被配置為產(chǎn)生第一頻率和第二頻率的聲信號。聲信號傳播到非線性材料(未顯示)，正如以上介紹，非線性材料利用混合過程混合這些信號以產(chǎn)生聲束。以上組件能夠被布置在井眼1605內的外殼1601中。聲透鏡1610，比如會聚透鏡，能夠被布置為沿著聲束的傳輸路徑，即，但是不限于，靠近外殼1601的出口面，和/或與混合體/非線性材料或者直接地或者經(jīng)由界面間接地有聯(lián)系，以改變聲束的波束幾何形態(tài)。例如，可以改變由該源產(chǎn)生的聲束的波束幾何形態(tài)，使得由聲透鏡1610折射的波束1620比離開外殼1601的波束更平行。波束1620能夠被聲反射體或聲反射鏡1625反射開，并且被指引到第二聲透鏡1630，比如發(fā)散透鏡。第二聲透鏡1630能夠被配置為補償由聲束與井壁表面與井眼周圍物質之間的界面之間的相互作用所產(chǎn)生的波束幾何形態(tài)改變。聲反射鏡或透鏡能夠被布置為由一個或多個傳動機構或電機1635旋 轉。例如，發(fā)散透鏡可以是圓柱形透鏡，它被配置為抵消由井眼曲率所導致的對波束的會聚效應。然后聲束能夠被第二聲透鏡1630折射并且被指引到井眼1605之外。第一聲透鏡1610和第二聲透鏡1630可以是由樹脂玻璃或其他適當材料制作的菲涅耳透鏡，具有低聲衰減和適當?shù)穆曌杩?，并且被適當?shù)爻尚螘r改變波束，通過或會聚或發(fā)散，取決于該透鏡的特定安排。聲反射體或聲反射鏡1625以及第二聲透鏡1630能夠圍繞著井眼1605的縱軸旋轉，以便產(chǎn)生井眼外地層的一幅或多幅周圍圖像。另外，能夠控制反射鏡關于井眼軸的傾斜，以改變波束在井壁處的入射角。測井工具的外部尺度確定了它們能夠操作的鉆孔尺寸的范圍。使用FC43作為非線性材料，具有20到120kHz操作頻率范圍的設備能夠以大約四英寸的直徑建造，使得其在六英寸和以上的井眼直徑中可用。在更大直徑的井眼中可以使用更大的設備，它們能產(chǎn)生更強大的平行波束，并且以更低的頻率操作。以更高頻率操作的按比例縮小的設備可以更低地下放到生產(chǎn)油管中用于完井中作業(yè)。由于井眼外的局部不均勻性、平面裂隙等的聲阻抗差異引起聲束的反射或散射，其中某些將返回到井眼。在套管井中，從套管內壁、可能附著到也可能不附著到水泥的套管外壁、水泥中的任何空洞、水泥或流體與地層的界面以及任何另外的同心套管柱反射能量。在開放鉆孔的應用中，從由于(例如)鉆孔導致的地層機械改變、流體侵入、自然裂隙、次生礦物的結核和礦床邊界造成的阻抗邊界反射能量。圖19a、19b和圖20顯示了使用以上介紹的源設備和接收器檢測來自井眼外的散射能量的系統(tǒng)，用于3D井中反射地震以產(chǎn)生井眼周圍地層的3D圖像。本系統(tǒng)包括的聲源具有可旋轉反射鏡，比如反射鏡1625，以及透鏡，比如透鏡1610和/或1630，它們通過一個或多個傳動機構/電機1635可旋轉，并且它們能夠被安裝在測井工具之內，本系統(tǒng)還包括接收器陣列1640，它們被沿著井眼中放置的工具安裝以檢測反射信號。整個系統(tǒng)能夠在井眼中上下移動，正如在地面2D反射地震中。旋轉反射鏡使得來自參數(shù)陣列源的波束按方位角掃描井眼周圍，以獲得井眼周圍的全3D圖像。傾斜反射鏡改變了來自參數(shù)陣列源的波束的傾角，并且重復方位角掃描將產(chǎn)生另一幅全3D圖像。多幅3D圖像的集合提供了冗余。多幅3D圖像的集合可以適當?shù)亟Y合以利用信號處理技術改進整體的3D圖像定義的清晰度。圖21a和22b顯示了為演示以上介紹的測量系統(tǒng)的操作的實驗室試驗裝置。確切地說，圖21a顯示了圓筒中所提議的垂直切口的平面圖，而21b顯示的橫剖面顯示了該裝置的若干組件和多個組件的尺寸。在圖21a中，146mm直徑的樹脂玻璃管2105處于塑料圓筒2110中的中心并且其間的環(huán)狀空間充滿水泥。然后去掉圓筒殼并且沿著該圓柱的長度挖出45度寬、50_深的通道。在相對側鉆了具有類似深度的180_直徑的圓孔。在圖22b中，沿著圓筒2110的長度安排了軸向安裝的發(fā)射器總成2115、聲反射鏡2120和12個接收器2130的陣列。發(fā)射器信號首先在水槽中記錄。利用圖21a和21b所示的裝置，反射數(shù)據(jù)由陣列中的幾個接收器記錄，接收器來自一個發(fā)射器位置處的一個方位角和一個傾斜的一個聲源。這種數(shù)據(jù)在地震行業(yè)通常稱為多偏移距數(shù)據(jù)。根據(jù)標準的信號處理理論，接收的信號與線性調頻波束信號進行相關，并且隨后進行源信號的反褶積。圖22顯示了反褶積后的結果信號。這將對應于在地面地震中 的偏移距剖面顯示?？梢姷窖刂趥鞑サ亩鄠€直接線性波至和來自外壁的反射。該試驗以五度增量對多個方位角重復，并且實例結果以多個方位角的偏移距顯示方式顯示在圖23中。該圖顯示了覆蓋35到145度方位角的多個方位角偏移距剖面的顯示序列。X軸的刻度是道號而每張偏移距剖面都有12道，其中連續(xù)剖面對應于五度增量。來自井眼之外的反射信號在多張方位角剖面中都可見。反射信號的旅行時間清楚地顯示了波至時間的變化，與外壁尺寸的可變性對應。同一數(shù)據(jù)能夠再次分選對于單一聲源接收器間隔(在地震行業(yè)通常稱為偏移距間隔)對方位角顯示所檢測到的信號，如圖24所示。凹槽的幾何圖像在圖中相當明顯。以不同的源波束傾角能夠重復該試驗以提供更有方向性的掃描和冗余，改進圖像。通過從標準3D成像改編的多種成像算法能夠處理由所介紹的系統(tǒng)收集的3D井眼地震反射數(shù)據(jù)。例如，每次聲源把能量輻射到一個朝向的反射鏡時，照明波場的特征由該聲源/反射鏡系統(tǒng)的方向性以及該聲源與井眼和/或地層內部的任何點之間的格林函數(shù)描述。從接收器到井眼/地層內部任何點的相反路徑可以類似地被視為方向性函數(shù)與格林函數(shù)的結合。來自介質中任何點由于特定的聲源和接收器的模擬響應是這些聲源和接收器函數(shù)的褶積。在介質中任何點，來自每個聲源/接收器對的圖像貢獻被取為模擬響應函數(shù)與記錄數(shù)據(jù)互相關中零遲延的值。這種特定系統(tǒng)具有可以被利用的某些幾何結構特征，比如用經(jīng)由反射鏡形孔輻射并利用柱對稱性的虛擬聲源取代聲源和反射鏡。接收波形的記錄被處理以產(chǎn)生該地層的反射或透射特征。該波束的傳播方向和飛行時間可以確定散射波的產(chǎn)生位置，使這種設備與使用常規(guī)無方向的單極和雙極聲源的標準聲成像區(qū)分開。與常規(guī)聲源相比，使用波束的相關聯(lián)的效應在于，對地層聲學性質圖像的計算可以不要求對巖層速度場的詳細描述。波束傳播方向和飛行時間的度量簡化和改進了識別波被反射或散射的位置的能力。確切地說，知道了離開工具的波束朝向就使所記錄的散射波的來源沿著波束方向定位，而時間延遲使散射源的位置沿著波束路徑定位。因此，與3D圖像計算要求準確的詳細速度模型的常規(guī)(非波束)聲源相比，利用波束源的井眼成像可以呈現(xiàn)最終時間圖像的簡化和不確定性降低。不僅如此，因為波束被聚焦并在方位角和關于井眼的傾角上可操縱，所以該成像趨向具有比常規(guī)(非波束)聲源所獲得的分辨率更高的分辨率。本方法允許若干特征的詳細成像，包括侵入?yún)^(qū)、與套管的水泥固結、受損區(qū)、裂隙區(qū)、地層學上的分層，尤其在高視傾角(層理平面與正交于工具軸的平面之間的夾角)。本發(fā)明的寬帶差波束頻率的范圍從IkHz至IOOkHz。這個頻率范圍的低端，也由某些常規(guī)的聲測井工具使用，實現(xiàn)了高達一百英尺的穿透深度。重要的是注意，因為波束是寬帶并能夠被編碼，所以檢測信號的信噪比在處理和解碼后可以顯著地增強。因為寬帶波束具有一般更大的穿透深度和由于編碼而更高信噪比的特征，所以本方法同樣可以允許對井眼周圍巖層及其流體成分的詳細成像和/或非線性性質的特征描述。在許多派生自井眼周圍成像的應用中都可以使用以上詳細介紹的各種聲束源。例如，以上介紹的聲束源可以用于多種自然裂隙評估，晶簇、結核或其他不均勻體測繪，一個或多個套管柱與下套管井周圍地層之間的水泥外層的存在和性質的評估，測繪來自井眼的流體侵入以及井眼周圍地層機械完整性·的評估，尤其是由近井眼應力集中導致的任何變化。緊湊源在若干領域還有其他應用，比如無損探傷。以上詳細介紹的多種配置僅僅為了展示目的。對于其他應用能夠對這些配置作出若干修改而不脫離本發(fā)明。例如，在隨鉆測井(LWD)和管道運送的配置中，使用了允許該工具通過鉆柱底部的技術，緊湊聲束發(fā)生設備將能夠有效地預測鉆頭前方，帶來鉆頭到達前對地層的超壓區(qū)或流變學顯著變化的檢測。對波束的操縱也能夠實現(xiàn)鉆頭前方的反射體的傾角和方位角的間接測量。另一種應用是鉆頭前方斷層幾何形狀的檢測。本文使用的術語“透鏡”應當理解為折射和反射的結構和材料都包括，正如本領域技術人員將認識到。盡管基于當前被認為是各種各樣的有用實施例，為了展示目的已經(jīng)詳細地介紹了本發(fā)明，但是應當理解，這樣的細節(jié)僅僅是為了該目的，而本發(fā)明不限于所公開的實施例，而是相反，意在覆蓋附帶的權利要求書的實質和范圍內的修改和等效布局。例如，盡管本文對計算機進行了引用，但是這可以包括通用計算機、專用計算機、包括機器可執(zhí)行指令并被編程為執(zhí)行這些方法的ASIC、計算機陣列或網(wǎng)絡或者其他適當?shù)挠嬎阍O備。如圖10和圖14所示，由接收器收集的數(shù)據(jù)將經(jīng)歷某些處理，并且或者被存儲在工具中的存儲器中，或者被傳送到井上做進一步處理和存儲。作為進一步實例，應當理解，本發(fā)明設想了，在可能的范圍內，任何實施例的一個或多個特征都能夠與任何其他實施例的一個或多個特征進行組
口 ο
權利要求
1.一種在井眼中產(chǎn)生聲能平行脈沖的方法，所述方法包括 產(chǎn)生具有第一中心頻率和第一帶寬擴展的第一寬帶頻率范圍的第一寬帶聲脈沖； 產(chǎn)生具有第二中心頻率和第二帶寬擴展的不同于所述第一頻率范圍的第二寬帶頻率范圍的第二寬帶聲脈沖，其中，所述第一聲脈沖和所述第二聲脈沖由被布置在位于所述井眼內的工具上的至少一個換能器產(chǎn)生；以及 把所述第一寬帶聲脈沖和所述第二寬帶聲脈沖傳送到聲學非線性介質中，其中所述非線性介質的成分通過非線性混合所述第一聲脈沖和所述第二聲脈沖而產(chǎn)生平行脈沖，所述平行脈沖具有等于所述第一中心頻率與所述第二中心頻率之間的頻率的差的中心頻率以及等于所述第一帶寬擴展與所述第二帶寬擴展之和的帶寬擴展。
2.根據(jù)權利要求I的方法，其中，所述平行聲脈沖的頻率范圍具有15kHz與120kHz之間的中心頻率。
3.根據(jù)權利要求I的方法，其中，所述非線性介質選自包括以下各項的組各種液體的混合物、固體、顆粒狀物質、嵌入的微球體、乳狀液及上述的組合。
4.根據(jù)權利要求I的方法，其中，所述平行脈沖的帶寬擴展在所述第一中心頻率的50%與200%之間。
5.根據(jù)權利要求I的方法，其中，所述平行脈沖的帶寬擴展在所述第二中心頻率的50%與200%之間。
6.根據(jù)權利要求I的方法，進一步包括把所述平行脈沖傳送到所述井眼周圍的物質中。
7.根據(jù)權利要求6的方法，其中，所述物質是巖層、水泥或套管或者上述的組合。
8.根據(jù)權利要求I的方法，其中，所述非線性介質具有100m/s與800m/s之間的聲速。
9.根據(jù)權利要求I的方法，進一步包括由聲反射鏡反射和引導所述平行聲脈沖。
10.一種井眼內可定位的測井電纜或管道運送的測井工具，所述測井工具，包括 夕卜殼; 至少一個換能器，由所述外殼承載并且被配置為產(chǎn)生具有第一中心頻率和第一帶寬擴展的第一頻率范圍的第一聲脈沖以及具有第二中心頻率和第二帶寬擴展的不同于所述第一頻率范圍的第二頻率范圍的第二聲脈沖；以及 由所述外殼承載的非線性介質，其中，所述非線性介質的成分被配置為通過非線性混合所述第一聲脈沖和所述第二聲脈沖而產(chǎn)生平行脈沖，所述平行脈沖具有等于所述第一中心頻率與所述第二中心頻率之間的頻率的差的頻率以及等于所述第一帶寬擴展與所述第二帶寬擴展之和的帶寬擴展。
11.根據(jù)權利要求10的測井工具，其中，所述平行聲脈沖的頻率范圍具有15kHz與120kHz之間的中心頻率。
12.根據(jù)權利要求10的測井工具，其中，所述非線性介質選自包括以下各項的組各種液體的混合物、固體、顆粒狀物質、嵌入的微球體、乳狀液及上述的組合。
13.根據(jù)權利要求10的測井工具，其中，所述平行脈沖的帶寬擴展在所述第一中心頻率的50%與200%之間。
14.根據(jù)權利要求10的測井工具，其中，所述平行脈沖的帶寬擴展在所述第二中心頻率的50%與200%之間。
15.根據(jù)權利要求10的測井工具，其中，所述測井工具，進一步包括構造和安排為指引所述平行脈沖進入所述井眼周圍的物質中的結構。
16.根據(jù)權利要求15的測井工具，其中，所述物質是巖層、水泥或套管或者上述的組口 ο
17.根據(jù)權利要求15的測井工具，其中，所述非線性介質具有100m/S與800m/s之間的聲速。
18.根據(jù)權利要求15的測井工具，其中，所述結構包括被配置為反射和引導所述平行聲脈沖的聲反射鏡。
全文摘要
在本發(fā)明的某些方面，公開了在井眼中產(chǎn)生聲能波束的方法。所述方法包括產(chǎn)生具有第一中心頻率和第一帶寬擴展的第一寬帶頻率范圍的第一寬帶聲脈沖；產(chǎn)生具有第二中心頻率和第二帶寬擴展的不同于所述第一頻率范圍的第二寬帶頻率范圍的第二寬帶聲脈沖，其中所述第一聲脈沖和所述第二聲脈沖由被布置在位于所述井眼內的工具上的至少一個換能器產(chǎn)生；以及把所述第一寬帶聲脈沖和所述第二寬帶聲脈沖傳送到聲學非線性介質中，其中所述非線性介質的成分通過非線性混合所述第一聲脈沖和所述第二聲脈沖而產(chǎn)生平行脈沖，所述平行脈沖具有等于所述第一中心頻率與所述第二中心頻率之間的頻率的差的頻率以及等于所述第一帶寬擴展與所述第二帶寬擴展之和的帶寬擴展。
文檔編號G01V1/46GK102918421SQ201180027267
公開日2013年2月6日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權日2010年6月3日
發(fā)明者C·K·武, D·N·辛哈, C·潘緹, K·T·尼赫伊, D·P·施密特, C·司科爾特 申請人:雪佛龍美國公司, 洛斯阿拉莫斯國家安全有限責任公司